Учёные создали штамм кишечной палочки, который «питается» углекислым газом

Источник: tehnot.com

Группе израильских учёных из Научно-исследовательского института им. Вейцмана удалось «заставить» бактерию кишечной палочки потреблять углекислый газ. Как утверждают исследователи, потенциально это позволит создавать биофабрики, которые будут превращать его в органические углеродные вещества, которые можно будет использовать в качестве топлива или даже еды.

Об этом пишет Nature со ссылкой на соответствующую научную публикацию, размещённую в Cell.

Почему кишечная палочка?

Растения и фотосинтетические цианобактерии (водные микробы, вырабатывающие кислород) способны с использованием энергии от света образовывать из углекислого газа «строительные блоки жизни», такие как ДНК, белки и жиры. Но генетическая модификация этих организмов является сложной задачей, которая бы значительно замедлила усилия учёных по превращению их в «биологические заводы».

Зато кишечная палочка (Escherichia coli или E. coli) сравнительно просто видоизменяется путём биоинженерии, а также быстро растёт, что позволяет проверить результат изменений вскоре после их внесения. Эти факторы сделали данную бактерию одним из самых популярных модельных организмов в биологии.

Изображение Escherichia coli, полученное с помощью электронного микроскопа. Фото: Национальный институт аллергии и инфекционных заболеваний (США)

Типичной «пищей» кишечной палочки являются сахара, вроде глюкозы, а углекислый газ организм производит и выбрасывает как отходы. Однако, учёные поставили перед собой задачу это изменить.

Наша лаборатория была первой, кто преследовал идею изменить рацион нормального гетеротрофа (организма, который потребляет органические вещества) на автотрофизм (получение органических молекул из неорганических — ред.)

— проф. Рон Мило, глава лаборатории

Что было сделано?

Команда израильского системного биолога Рона Мило последнее десятилетие работала над изменением «рациона» кишечной палочки. В 2016 году учёным удалось создать штамм бактерии, который потреблял CO2, однако из углекислого газа E. coli получала только часть необходимого ей углерода. Остальная поступала из специального органического соединения, которым «кормили» организм.

Иллюстрация к исследованию, опубликованному в 2016 году

В своей последней работе исследователи наделили бактерию генами, которые кодируют пару ферментов, позволяющих фотосинтетическим организмам превращать углекислый газ в органические углеродные соединения. В растениях и цианобактериях такой процесс обычно питается за счёт энергии от света, однако в случае кишечной палочки это было невозможно. Взамен команда Мило наделила бактерию геном, который позволял ей получать энергию из легкодоступного органического вещества под названием формиат (formate).

Однако оказалось, что просто предоставить бактериям «средства производства» недостаточно: даже с этими дополнениями E. coli отказалась потреблять CO2 вместо сахара. Чтобы исправить ситуацию, исследователи в течение года культивировали следующие поколения модифицированной кишечной палочки, давая им только небольшое количество сахара и углекислый газ в концентрациях, которые примерно в 250 раз превосходят атмосферные.

Учёные надеялись, что это подтолкнет бактерии к мутации для адаптации к новым жизненным условиям. Примерно через 200 дней появились первые клетки, способные использовать углекислый газ в качестве единственного источника углерода. А через 300 дней эти бактерии в лабораторных условиях превзошли по скорости роста своих родственников, которые не могли потреблять CO2.

Сначала это звучало невозможным, однако на этом пути мы многому научились и в конце концов мы продемонстрировали, что это действительно возможно сделать

— проф. Рон Мило, глава лаборатории

Что дальше?

Созданный исследователями штамм кишечной палочки в атмосфере с 10% содержанием CO2 может делиться каждые 18 часов, в то время как обычная E. coli делится каждые 20 минут. Также организм не может жить без сахара в условиях атмосферы Земли, где концентрация углекислого газа составляет около 0,041%. Команда планирует направить свои усилия на то, чтобы заставить свои бактерии расти быстрее и жить на более низких уровнях CO2.

Ещё одна проблема заключается в том, что полученный штамм на данный момент производит больше углекислого газа, чем усваивает. Это связано с тем, что химическое вещество, используемое в качестве источника энергии, окисляется до CO2 быстрее, чем этот газ потребляется бактерией. Впрочем, впоследствии учёные надеются «заставить» E. coli получать энергию из возобновляемых источников.

Также Мило с коллегами будут пытаться понять, как кишечная палочка эволюционировала к потреблению углекислого газа. Сейчас учёным удалось установить, что для этого понадобились изменения в одиннадцати генах, теперь им предстоит выяснить, как именно это привело к изменению организма.

Профессор Рон Мило

Наши результаты являются важной вехой для достижения нашей цели: эффективных, зелёных научных применений

— проф. Рон Мило, глава лаборатории

На сегодняшний день кишечные палочки уже используются для изготовления синтетических версий полезных химических веществ, таких как инсулин и человеческий гормон роста. По словам Рона Мило, работа его команды способна расширить перечень продукции, которую могут производить бактерии, добавив к нему возобновляемые виды топлива, продукты питания и другие вещества. Однако, как заметил исследователь, мы вряд ли увидим это в ближайшие годы.

Напомним, ранее было создано микроскопическое записывающее устройство внутри живой бактерии.